【新品】第三代半导体检测“新玩法——定量相位成像技术

  ICC讯 在集成电路制造领域，表面缺陷的检测精度和关键结构的制造精度直接关系到产品的良率与性能，因此缺陷检测(defect inspection)和量测(metrology)成为Fab厂质量管理的重要课题。在半导体前道制程(FEOL)中，常见的缺陷检测技术包括光学法、电子束法、X射线法等技术。光学法成像速度快分辨率适中，电子束法分辨率好成像速度慢，X射线法分辨率一般速度一般，这也造成了如今的市场格局。

表1 FEOL检测技术对比 图1 我国卫生医疗机构中医院诊疗量和数量占比

  集成电路生产主要采用第一代半导体材料，如硅、化合物半导体则主要是第二代半导体材料(砷化镓等)、第三代半导体材料(碳化硅、氮化镓等)以及近年来比较火热的第四代半导体材料(氧化镓等)。他们的本质区别是禁带宽度的大小，从而导致电学、导热、光学等特性天壤之别。最近几年新能源汽车SiC主驱、手机GaN快充、SiC光波导MicroLED等市场发展火热，直接推动了SiC、GaN衬底和外延片的产能扩张，也加速了产业的同质化内卷，第三代半导体产业界迫切需要低成本高质量的良率管理方案。

表2全球半导体量检测设备份额，来源：沙利文咨询

  在第三代半导体材料检测领域，明场、暗场、光致发光(PL)等技术各具特色，它们各有所长，也各有局限，适用于不同的检测场景。目前，KLA-Tencor的Candela、Camtek的Eagle等国际知名企业的产品在行业内占据重要地位，广受青睐。然而，近年来国内半导体检测设备行业也迎来了蓬勃发展的春天，涌现出众多优秀的本土企业，为行业注入了新的活力。

  不过，2025年全球晶圆厂新增建厂数量有所减少，尽管AI、大模型、AR、无人驾驶、无人机等前沿科技概念仍在持续推动半导体市场的发展，但短期内成熟制程产能过剩的局面依然存在。这使得国内半导体检测设备行业面临着愈发激烈的同质化竞争，甚至出现了价格战，竞争程度愈发白热化。

  从制造企业的角度来看，同质化竞争在一定程度上有利于降低采购设备的单价，从而降低生产成本。然而，从检测设备企业的角度来看，这种低价竞争模式犹如饮鸩止渴，最终会严重影响企业自身的运营和发展，而这些成本压力最终还是会转嫁到用户身上，形成恶性循环。

  我们不禁思考：是否有一种新技术，能够打破传统技术的局限，为设备用户和制造商带来双赢的局面?这种技术需要在高分辨率、高速度的前提下，实现低成本的缺陷检测，从而推动整个行业的可持续发展。

  答案已然揭晓。滨松最新推出的定量相位成像光学模组C16999系列，凭借其创新的干涉显微技术和模块化设计，为高精度、高效率在线检测提供了革命性的低成本解决方案。

什么是定量相位成像技术?

  光是一种电磁波，根据麦克斯韦电磁理论，它携带两种重要信息：振幅(amplitude)和相位(phase)。振幅代表光的强度(intensity)，是我们日常生活中能看到的光的明暗程度;而相位则描述光波的振动状态和位置，它能反映物体的厚度和折射率变化。不过，人眼是无法直接感知相位信息的，只能感受到光的强弱和均匀性。基于人眼的这种感知方式，人们发明了光学显微镜和自动光学检测设备。这些设备通过光学探测器(如CCD/CMOS相机)将光学信号转换为数字信号，再利用计算机自动判断缺陷，这就是振幅成像技术。它的优点是检测结果直观，与人眼判断相近，但缺点是只能检测材料表面的缺陷，对于较厚或透明材料的内部缺陷则无能为力。

  以活细胞为例，未经处理的活细胞内部结构不会吸收照明光，因此无法形成足够的图像对比度，普通光学显微镜很难直接观察和成像。为了提高对比度，通常需要对细胞进行染色，但这可能会改变细胞的活性，无法反映细胞的真实状态。

  为了解决这一问题，定量相位成像技术应运而生。这种技术可以直接观察透明或半透明物体(如生物活细胞、SiC材料等)的三维形貌，并测量其折射率分布。通过这些信息，我们能够清晰地看到透明物体内部的结构和状态，而无需对样品进行染色或其他破坏性处理。因此，定量相位成像技术是一种能够深入观察透明物体内部结构的先进成像技术，弥补了传统振幅成像技术的不足。

表3 相位成像技术和振幅成像技术(这里指纯振幅，不含偏振技术)

  C16999核心优势：纳米级分辨率，实时在线检测

  C16999系列QPM光学模块基于高速干涉显微技术，垂直分辨率可达0.5纳米及以下，能够精准捕捉半导体晶圆、化合物半导体材料表面和亚表面缺陷。无论是TEG晶圆边缘的微观形变，还是表面颗粒污染物，QPM模块均能够生成高对比度定量相位成像图，并结合实时图像处理算法，快速输出缺陷的位置分布信息。

图1 QPM模块C16999

  技术亮点一：轻量化设计，使用简单，低成本

  C16999采用紧凑化结构设计，重量仅约1500克，模块附带缺陷分析软件，只需搭配合适的tube lens和相机即可实现缺陷检测。这样一来，C16999既可以支持化合物半导体制造企业，将C16999嵌入式集成于自动化产线中，也可以支持检测设备企业将C16999结合载物台实现设备开发。

  技术亮点二：0.5 nm 纵向分辨率，亚微米水平分辨率实现 3D 缺陷分析

  C16999的纵向分辨率达到0.5 nm甚至更低，用户可根据检测需求选择不同放大倍数(×1.25至×20)，水平分辨率覆盖0.7 μm至8.1 μm，视场范围最大支持11.3×8.28 mm，可以实现快速3D轮廓扫描和缺陷检测。

图2 SiC外延片测试案例

图3 TEG测试案例

  目前，C16999产品主要瞄准GaN/SiC外延片、衬底;TEG wafer等领域的缺陷检测，我们预计可以将化合物半导体缺陷检测的成本控制在百万元以内。若您对C16999系列感兴趣，或希望参与免费样品测试，请关注“滨松中国”公众号，聊天框留言。